王 镕，趙紅莉，曹 引，崔 倩，羅志東

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，100038，北京；2.大連理工大學(xué)，116081，大連；3.水利部數(shù)字孿生流域重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100038，北京；4.水利部信息中心，100053，北京；5.水利部綜合事業(yè)局水土保持監(jiān)測(cè)中心，100053，北京）

2021年12月，水利部印發(fā)《關(guān)于復(fù)蘇河湖生態(tài)環(huán)境的指導(dǎo)意見》（以下簡(jiǎn)稱《指導(dǎo)意見》）、水利部辦公廳印發(fā)《“十四五”時(shí)期復(fù)蘇河湖生態(tài)環(huán)境實(shí)施方案》（以下簡(jiǎn)稱《實(shí)施方案》），明確了復(fù)蘇河湖生態(tài)環(huán)境的主要目標(biāo)和各項(xiàng)任務(wù)措施。河湖生態(tài)監(jiān)測(cè)是各項(xiàng)任務(wù)落實(shí)和目標(biāo)達(dá)成的基礎(chǔ)，而我國(guó)現(xiàn)有河湖生態(tài)相關(guān)監(jiān)測(cè)能力與支撐河湖生態(tài)復(fù)蘇要求存在差距，因此提出構(gòu)建“空天地”一體化立體監(jiān)測(cè)體系支撐河湖生態(tài)復(fù)蘇的設(shè)想。

一、河湖復(fù)蘇的任務(wù)與監(jiān)測(cè)需求

1.河湖生態(tài)復(fù)蘇的工作任務(wù)

2025年復(fù)蘇河湖生態(tài)環(huán)境的具體目標(biāo)：

①斷流河流、萎縮干涸湖泊修復(fù)方面：河湖生態(tài)用水得到一定退還；在正常來水條件下，重點(diǎn)河流力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)全線過流；萎縮干涸的重點(diǎn)湖泊水面得到一定恢復(fù)。

②河湖生態(tài)流量保障方面：南方重點(diǎn)河流生態(tài)流量得到有效保障，重點(diǎn)湖泊生態(tài)水位得到有效維持；北方重點(diǎn)河流生態(tài)流量保障程度明顯提升。

③河湖水域岸線空間管控方面：規(guī)劃與管理制度建立健全；河湖管理范圍全面劃定；存量“四亂”（亂占、亂采、亂堆、亂建）問題不斷減少；河道采砂秩序穩(wěn)定向好。

④地下水超采綜合治理方面：正常來水條件下力爭(zhēng)年壓減地下水55.5億m3，全國(guó)地下水取用總量控制在960億m3以內(nèi)；京津冀等地區(qū)約2/3地下水超采區(qū)實(shí)現(xiàn)采補(bǔ)平衡，超采區(qū)城鎮(zhèn)力爭(zhēng)全部實(shí)現(xiàn)采補(bǔ)平衡。

⑤水土流失綜合治理方面：人為水土流失得到控制，全國(guó)新增水土流失治理面積31萬km2；全國(guó)水土保持率提高到73%以上。

2.河湖生態(tài)復(fù)蘇的監(jiān)測(cè)需求

①斷流河流、萎縮干涸湖泊修復(fù)任務(wù)需求：重點(diǎn)河流全線流量與河口、尾閭水面面積，重點(diǎn)湖泊水面面積，補(bǔ)水河湖的水量、水質(zhì)和水生態(tài)變化情況等數(shù)據(jù)；

②河湖生態(tài)流量保障任務(wù)需求：重點(diǎn)河流斷面生態(tài)流量或水位、重點(diǎn)湖泊水位、重點(diǎn)河湖水質(zhì)、水生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，攔河水利水電工程下泄流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等；

③河湖水域岸線空間管控任務(wù)需求：河湖水域岸線管控范圍內(nèi)的“四亂”情況、河道采砂情況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；

④地下水超采綜合治理任務(wù)需求：區(qū)域地下水水位、用水戶地下水取用水量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，區(qū)域地下水降水入滲、人工補(bǔ)給等補(bǔ)給量年度監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等；

⑤水土流失綜合治理任務(wù)需求：生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案落實(shí)情況，全國(guó)水土流失年度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，新增重點(diǎn)治理區(qū)域治理效果監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。

按照監(jiān)測(cè)對(duì)象與內(nèi)容，對(duì)上述監(jiān)測(cè)需求進(jìn)行分類匯總（見表1）。河湖生態(tài)復(fù)蘇的監(jiān)測(cè)體系需要涵蓋重點(diǎn)河流湖泊的水位、水量、水面面積、水質(zhì)、水生態(tài)，跨河水利水電工程的下泄流量，河湖水域管控空間的“四亂”與采砂行為，地下水超采區(qū)的地下水水位、開采量和回補(bǔ)量，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)的水土保持行為，水土流失區(qū)域的土壤侵蝕與治理效果等特征。各類對(duì)象特征變化速度不同，對(duì)監(jiān)測(cè)頻次的需求也有所不同。

表1 河湖生態(tài)復(fù)蘇監(jiān)測(cè)需求

二、我國(guó)河湖監(jiān)測(cè)體系現(xiàn)狀與差距

1.河湖監(jiān)測(cè)體系現(xiàn)狀

河湖復(fù)蘇需要監(jiān)測(cè)的對(duì)象及內(nèi)容與水文、水資源、地下水、河湖監(jiān)管、水土保持等領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)存在交叉，可以充分利用這些領(lǐng)域已有監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)開展工作。

（1）水文監(jiān)測(cè)

我國(guó)目前擁有各類水文站點(diǎn)12萬多處，基本建成水文監(jiān)測(cè)站網(wǎng)體系，包括水文站7 000多處、水位站1.6萬多處、雨量站5萬多處，在線測(cè)量系統(tǒng)約2 000處，已覆蓋全國(guó)170多條主要江河和5 000多條有防洪任務(wù)的中小河流。有地表水水質(zhì)測(cè)站約1萬處，能夠開展重要湖泊、水庫等水域藻類監(jiān)測(cè)及浮游生物、底棲生物、魚類、水生植物等監(jiān)測(cè)。

（2）水資源監(jiān)測(cè)

經(jīng)過2012—2020年兩期國(guó)家水資源監(jiān)控能力項(xiàng)目建設(shè)，我國(guó)基本建成取用水、水功能區(qū)和大江大河省界斷面三大監(jiān)控體系，目前共有約3.5萬個(gè)取用水在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)取用水量約占全國(guó)總用水量的50%；實(shí)現(xiàn)了對(duì)4 000多個(gè)水功能區(qū)的水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測(cè)，基本實(shí)現(xiàn)供水人口20萬以上的地表水飲用水水源地水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)全覆蓋；對(duì)300多個(gè)大江大河省界水量斷面實(shí)現(xiàn)水量在線監(jiān)測(cè)；同時(shí)利用水文監(jiān)測(cè)體系的共享數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)166個(gè)已定生態(tài)流量目標(biāo)的河流斷面進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集與分析評(píng)價(jià)。

（3）地下水監(jiān)測(cè)

在已有地下水監(jiān)測(cè)工作基礎(chǔ)上，經(jīng)過2015—2020年國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程建設(shè)，水利部與自然資源部共建成由約2萬個(gè)地下水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)組成的地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)，覆蓋全國(guó)主要平原區(qū)和16個(gè)主要水文地質(zhì)單元，平均站網(wǎng)密度5.7站/1 000 km2，實(shí)現(xiàn)了對(duì)我國(guó)主要平原、盆地和巖溶含水層地下水水位、水質(zhì)的有效監(jiān)測(cè)，區(qū)域性地下水專業(yè)監(jiān)測(cè)能力和水平大幅提高。

（4）全國(guó)河湖遙感監(jiān)測(cè)

為支撐2018年河湖“清四亂”專項(xiàng)行動(dòng)，水利部建立了“全國(guó)河湖遙感平臺(tái)”，集成“全國(guó)水利一張圖”的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)，利用高分辨率遙感影像（優(yōu)于1m分辨率影像約占90.2%），開展河湖水域空間變化檢測(cè)和9類典型地物AI識(shí)別，每年開展1次，覆蓋全國(guó)流域面積1 000 km2以上的2 221條河流和水面面積1km2以上的2 865個(gè)湖泊，按需對(duì)重點(diǎn)區(qū)間加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

（5）水土保持監(jiān)測(cè)

2018年開始進(jìn)行全國(guó)水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)水土保持衛(wèi)星遙感監(jiān)管；2019年地方水行政主管部門利用無人機(jī)等加密開展省級(jí)遙感監(jiān)管；2020年水利部完成全國(guó)國(guó)土面積水土保持監(jiān)測(cè)年度全覆蓋；2021年起，每年開展2~3次生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目遙感監(jiān)管工作，實(shí)現(xiàn)從“被動(dòng)查”到“主動(dòng)管”的轉(zhuǎn)變。

2.與河湖生態(tài)復(fù)蘇監(jiān)測(cè)需求的差距

總結(jié)我國(guó)河湖監(jiān)測(cè)體系現(xiàn)狀，對(duì)比河湖生態(tài)復(fù)蘇工作目標(biāo)與監(jiān)測(cè)需求，可發(fā)現(xiàn)還存在以下差距：

（1）監(jiān)測(cè)內(nèi)容不全面

現(xiàn)有監(jiān)測(cè)體系側(cè)重于關(guān)鍵、典型位置的站點(diǎn)監(jiān)測(cè)，如河流斷面水位或流量、地下水水位、用水戶取用水量等，對(duì)于以區(qū)域或面為監(jiān)測(cè)對(duì)象的監(jiān)測(cè)內(nèi)容，如河湖水體面積、區(qū)域地下水蓄變量等，受早期技術(shù)手段限制，在監(jiān)測(cè)體系中缺少考慮，工作中往往以推算為主，缺少實(shí)測(cè)真值，誤差難以控制。

（2）大范圍監(jiān)測(cè)頻次較低

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展和水利行業(yè)應(yīng)用的不斷深入，高分辨率衛(wèi)星遙感已在河湖監(jiān)管、水土保持領(lǐng)域開展了業(yè)務(wù)化應(yīng)用，但基本只能做到1年1次全國(guó)覆蓋的監(jiān)測(cè)頻率，與河湖生態(tài)復(fù)蘇監(jiān)測(cè)工作期望的頻次存在顯著差異。

（3）重點(diǎn)區(qū)域監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布設(shè)不足

現(xiàn)有業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)體系的構(gòu)建多從各自業(yè)務(wù)需求出發(fā)，如水文站網(wǎng)中對(duì)水位、流量站的設(shè)置總體是從防洪和報(bào)汛的角度考慮，雖在一定程度上可兼顧生態(tài)流量監(jiān)測(cè)，但有些站點(diǎn)在位置上不是生態(tài)關(guān)鍵斷面，一些生態(tài)問題突出的區(qū)域站點(diǎn)數(shù)量不夠。

（4）多種監(jiān)測(cè)手段協(xié)同不夠

現(xiàn)有利用地面、無人機(jī)、衛(wèi)星遙感等多種手段開展的水文、水資源、河湖“四亂”、水土保持的監(jiān)測(cè)，各有優(yōu)勢(shì)和側(cè)重，大多相互獨(dú)立、協(xié)同不夠，在各自領(lǐng)域都存在短板，但又未能形成優(yōu)勢(shì)聯(lián)合。

三、立體監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建設(shè)想

1.指導(dǎo)思想與原則

河湖復(fù)蘇的立體監(jiān)測(cè)體系是在統(tǒng)籌考慮河湖生態(tài)復(fù)蘇各項(xiàng)任務(wù)的監(jiān)測(cè)需求下，利用“空天地”立體協(xié)同的監(jiān)測(cè)手段，獲得河湖水體與水域空間、涉水工程設(shè)施、區(qū)域地下水與水土保持等各類河湖生態(tài)環(huán)境保護(hù)與治理對(duì)象更完備的狀態(tài)與變化信息，支撐河湖生態(tài)復(fù)蘇目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

參照《實(shí)施方案》要求，河湖生態(tài)復(fù)蘇立體監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建應(yīng)遵循的指導(dǎo)思想是：從生態(tài)總體性和流域系統(tǒng)性出發(fā)，按照山水林田湖草沙系統(tǒng)治理要求，統(tǒng)籌考慮水資源與水域岸線空間、地表水和地下水、江河流域水和沙的監(jiān)測(cè)需求，重點(diǎn)面向斷流河道與萎縮干涸湖泊修復(fù)、河湖生態(tài)保護(hù)治理、地下水超采綜合治理、水土流失綜合治理等問題，支撐河湖生態(tài)環(huán)境復(fù)蘇，保障水生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性提升。

總體構(gòu)建原則如下：

一是需求統(tǒng)籌，共性集成。遵循系統(tǒng)治理的思想，統(tǒng)籌河湖生態(tài)復(fù)蘇各項(xiàng)任務(wù)中對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象和監(jiān)測(cè)內(nèi)容、頻次等的需求，對(duì)共性對(duì)象、內(nèi)容等需求進(jìn)行整合，在監(jiān)測(cè)體系建設(shè)上做到一處建設(shè)、多處使用。

二是立體多源，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。地面站點(diǎn)、衛(wèi)星遙感、無人機(jī)遙感等不同監(jiān)測(cè)手段具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，立體監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建需要整合各監(jiān)測(cè)手段，做到點(diǎn)面互補(bǔ)、時(shí)序互補(bǔ)、范圍互補(bǔ)、穩(wěn)定性互補(bǔ)，通過立體多源協(xié)同提高監(jiān)測(cè)體系整體的時(shí)間、空間、要素覆蓋能力及精度與穩(wěn)定性等。

三是立足已有，優(yōu)化布局。從河湖生態(tài)環(huán)境保護(hù)和恢復(fù)的需求出發(fā)，評(píng)估已有水文、水資源、河湖遙感、地下水和水土保持監(jiān)測(cè)體系的支持能力，在充分利用已有基礎(chǔ)前提下，進(jìn)行新增監(jiān)測(cè)規(guī)劃與總體布局優(yōu)化。

2.總體框架

河湖復(fù)蘇的立體監(jiān)測(cè)體系總體框架（圖1）包括立體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源和多源協(xié)同能力建設(shè)兩大部分，支撐斷流河流和萎縮干涸湖泊修復(fù)、河湖生態(tài)流量保障、水域空間管控、地下水超采治理、水土流失治理5方面河湖生態(tài)復(fù)蘇任務(wù)。

圖1 河湖生態(tài)復(fù)蘇立體監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建框架

①在立體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源方面：包括地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)、無人機(jī)遙感、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源建設(shè)，利用多平臺(tái)多手段采集流域、工程項(xiàng)目、河湖生態(tài)環(huán)境的斷面、區(qū)域、多時(shí)空分辨率數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)河湖生態(tài)復(fù)蘇重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象、要素的全覆蓋。

②在多源協(xié)同能力方面：包括地面站點(diǎn)—無人機(jī)、衛(wèi)星—無人機(jī)、地面站點(diǎn)—衛(wèi)星不同監(jiān)測(cè)手段獲取數(shù)據(jù)源的組合協(xié)同；地表水—地下水、河湖水體—河湖水域空間等不同監(jiān)測(cè)對(duì)象聯(lián)動(dòng)與多要素監(jiān)測(cè)協(xié)同，流域水—沙、地下水補(bǔ)給—開采—蓄變多過程監(jiān)測(cè)協(xié)同等。

3.建設(shè)內(nèi)容與途徑

（1）立體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源建設(shè)

主要內(nèi)容包括地面站網(wǎng)與衛(wèi)星、無人機(jī)組網(wǎng)建設(shè)。地面站網(wǎng)依托現(xiàn)有水文、水資源、地下水、河湖與水土保持監(jiān)測(cè)體系，根據(jù)流域、河湖生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)需求進(jìn)行數(shù)據(jù)整合集成，對(duì)河湖生態(tài)復(fù)蘇重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，進(jìn)行地面站網(wǎng)補(bǔ)充完善，同步進(jìn)行地面站網(wǎng)整體布局的迭代優(yōu)化；衛(wèi)星組網(wǎng)的遴選，考慮衛(wèi)星作為河湖生態(tài)全域、全天候、全要素覆蓋保障的數(shù)據(jù)來源，選取具有光學(xué)、微波、重力場(chǎng)、測(cè)繪與測(cè)高傳感器的衛(wèi)星，統(tǒng)一建設(shè)數(shù)據(jù)收集與處理平臺(tái)，集成現(xiàn)有河湖、水土保持遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)水域空間、水土流失等識(shí)別算法，開發(fā)集成水文、水資源、地下水、水質(zhì)、河湖水面等遙感算法模塊，建成基于各類衛(wèi)星的河湖生態(tài)復(fù)蘇動(dòng)態(tài)信息獲取能力；無人機(jī)監(jiān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)，針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域突發(fā)事件或地面監(jiān)測(cè)設(shè)備難以布設(shè)區(qū)域的定期巡檢，水域空間與水面監(jiān)管、水體保持監(jiān)管等監(jiān)測(cè)需求，可基于現(xiàn)有條件，臨近區(qū)域設(shè)備組網(wǎng)共享。

（2）立體監(jiān)測(cè)多源協(xié)同能力建設(shè)

主要內(nèi)容包括多監(jiān)測(cè)手段協(xié)同與多過程多要素協(xié)同能力建設(shè)?！疤炜盏亍倍啾O(jiān)測(cè)手段協(xié)同，需要對(duì)不同來源數(shù)據(jù)的精度與一致性進(jìn)行分析驗(yàn)證，在重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域或典型代表性區(qū)域開展一定數(shù)量的立體多源同步觀測(cè)，驗(yàn)證多源協(xié)同觀測(cè)與數(shù)據(jù)融合算法的有效性，集成開發(fā)數(shù)據(jù)融合服務(wù)平臺(tái)；多要素多過程監(jiān)測(cè)協(xié)同，需要根據(jù)水循環(huán)多要素之間的聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)換關(guān)系、多過程之間驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)關(guān)系，建立監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換推演關(guān)系，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行多源數(shù)據(jù)的相互驗(yàn)證和融合，并進(jìn)行算法的平臺(tái)集成；依托多源數(shù)據(jù)融合服務(wù)平臺(tái)，向河湖生態(tài)復(fù)蘇的不同工作任務(wù)提供不同數(shù)據(jù)組合的信息服務(wù)，支撐河湖生態(tài)復(fù)蘇動(dòng)態(tài)監(jiān)管與評(píng)價(jià)、總體復(fù)蘇目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)等。

四、總結(jié)與展望

我國(guó)水文、水資源、地下水、河湖監(jiān)管、水土保持等領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)體系建設(shè)已取得顯著成效，可為河湖生態(tài)復(fù)蘇監(jiān)測(cè)提供較強(qiáng)支撐，但與需求相比，仍存在監(jiān)測(cè)內(nèi)容不全面、大范圍監(jiān)測(cè)頻次較低、重點(diǎn)區(qū)域監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布設(shè)不足、多種監(jiān)測(cè)手段協(xié)同不夠等問題。徹底解決河湖生態(tài)復(fù)蘇工作的數(shù)據(jù)支撐問題，需要從生態(tài)整體性和流域系統(tǒng)性出發(fā)，構(gòu)建流域和河湖生態(tài)立體監(jiān)測(cè)體系。

河湖復(fù)蘇的立體監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建，還可以放到整個(gè)水利行業(yè)立體監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建的更大背景下去思考，通過全行業(yè)跨業(yè)務(wù)的需求統(tǒng)籌與資源整合，實(shí)現(xiàn)更大范圍、更高效的數(shù)據(jù)資源建設(shè)優(yōu)化，為各業(yè)務(wù)能力提升提供更強(qiáng)保障。 ■